ADS1232和ADS1234：針對電子秤的全套前端解決方案
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無論是何種應(yīng)用，所有這些不同類型電子秤的核心都是一個高精度數(shù)字化過程，即將被測量物體的重量轉(zhuǎn)換成一個可以顯示或者可以進行數(shù)據(jù)資料記錄的數(shù)字值。盡管將重量轉(zhuǎn)換為電子信號有多種方法，但最為常用的方法也許是采用一個配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負載單元。圖1顯示了一個橋接結(jié)構(gòu)，在該橋接中，其中一個電阻的值會因施加的重量不同而不同。根據(jù)該橋接的不同結(jié)構(gòu)，當施加重量時會有更多電阻器的值可能會發(fā)生改變。不管怎樣，可以在該橋接的頂部和底部應(yīng)用一個激發(fā)電壓。在中間節(jié)點上，以差動電壓的形式對輸出信號進行測量。
圖1惠斯通電橋阻性負載單元
設(shè)計電子秤時面臨的挑戰(zhàn)是：如何對電阻橋接產(chǎn)生的信號進行高精度測量，這是因為該信號通常很小。負載單元通常由輸出電壓來確定，該輸出電壓是在施加負載單元最大額定重量時為1V激發(fā)電壓產(chǎn)生的。規(guī)格以單位mV/V來確定。例如，由5V電壓激發(fā)的4mV/V負載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20mV。請記住，這是最大輸出電壓。為了確定數(shù)字轉(zhuǎn)換器要求的精確度，該橋接的滿量程電壓必須除以理想的秤精度（其通常以計數(shù)來表示）。假設(shè)為同樣的4mV/V負載單元由5V電壓激發(fā)，則該秤要求有一個20,000精度的計數(shù)。反過來，這就要求數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?4mV/V)(5V)/20,000=1000nV的信號進行重復(fù)測量。
那么，讓我們來進行更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計吧！為了獲得優(yōu)異的電子秤設(shè)計，數(shù)據(jù)讀取必須極其穩(wěn)定。也就是說，不能存在由于噪聲干擾而出現(xiàn)代碼之間閃爍或切換。這一要求對數(shù)字轉(zhuǎn)換器又提出了更多的要求，從而需要比電子秤向用戶報告的數(shù)值更為精確的內(nèi)部精度。具有比顯示值高出10倍的內(nèi)部精確度并不罕見。如果是在前面的負載單元實例中，則要求具有100nV的內(nèi)部精度！
假設(shè)存在極小的橋接傳感器信號且需要極高精度的測量，許多電子秤廠商過去一直使用一種極低噪聲增益級在數(shù)字化之前放大來自橋接的信號。許多電子秤上重量變化相對較慢的情況下，增益級帶寬通常并不是一個大問題。盡管如此，關(guān)鍵是增益級能夠在溫度和時間變化中均要非常穩(wěn)定。大多數(shù)電子秤只需要廠方或用戶定期校準即可。由PGA時間或者溫度漂移引起的任何增益改變，都會對電子秤的精確度產(chǎn)生負面影響。實際上，在一些高端電子秤設(shè)計中，增益級在時間和溫度變化中的穩(wěn)定性就決定了整個電子秤的規(guī)格。通常，PGA后面的一個高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)會對放大電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。在被測量信號緩慢地不斷變化并需要極高精度的情況下，則常常使用Δ-Σ拓撲來實施ADC。由于使用了增益級，因此ADC對于時間和溫度的穩(wěn)定性就變得非常重要，以免制約整體性能。
此外，由于可以將橋接激發(fā)電壓用作參考電壓（參見圖2），所以ADC應(yīng)能進行“比例計量”測量。來自橋接的輸出信號與帶有衰減系數(shù)的激發(fā)電壓成正比例關(guān)系，而這種衰減系數(shù)由施加于負載單元的重量來決定。通過使用ADC以“比例計量”的方式對負載單元信號進行測量，也就是說將激發(fā)電壓作為ADC的參考電壓可以抵消該激發(fā)電壓絕對值的變化。但這種做法反過來又會降低電子秤設(shè)計的靈敏度與穩(wěn)健性。
圖2利用一個ADC對負載單元的比例計量測量
考慮到這些要求，TI開發(fā)出了ADS1232（雙通道輸入）和ADS1234（四通道輸入），為電子秤設(shè)計人員提供了一個簡單的高性能、低成本、單芯片橋接傳感器輸出數(shù)字化解決方案。ADS1232和ADS1234均在一個電子秤前端（見圖3）中集成了所有的關(guān)鍵模塊，唯一的區(qū)別在于他們所支持的輸入通道數(shù)目有所不同。一種可編程增益放大器(PGA)允許用戶選擇增益系數(shù)為1、2、64或128的增益。當橋接被直接連至ADS1232/4時，才使用增益系數(shù)為64和128的增益。增益系數(shù)1和2的增益允許在橋接和ADS1232/4之間使用一個可選外部增益級。運用TI新型先進高性能、亞微米混合信號CMOS工藝制造出來的ADS1232/4PGA是一款創(chuàng)新型解決方案，其具有最小化低頻噪聲和在整個溫度范圍內(nèi)保持最小失調(diào)漂移的特性。PGA中使用的高精度板上電阻器能夠在整個溫度與時間范圍內(nèi)提供出色的增益穩(wěn)定性。
圖3ADS1232/4結(jié)構(gòu)圖
PGA之后是一個板上24位Δ-ΣADC，其允許使用5V參考電壓，以支持比例計量測量。該ADC的板上數(shù)字濾波器提供了一個10采樣/秒(SPS)或80SPS的可選數(shù)據(jù)速率。當采用10SPS時，可同時抑制50Hz和60Hz線壓周期干擾，同時更高的速度帶來更快的更新。這對于那些需要快速響應(yīng)的電子秤或者要求高數(shù)據(jù)速率的后處理算法而言非常有用。
盡管在需要時可以使用一個外部時鐘源，但是ADS1232/4的高精度板上振蕩器無需使用一個外部振蕩器或晶振即可工作。ADS1232/4的所有控制均由一些專門引腳來實現(xiàn)。通過消除對所有寄存器進行編程的需要，這種架構(gòu)極大地簡化了軟件開發(fā)。最后，通過一種簡單的只讀接口可以輕松檢索ADC的數(shù)據(jù)輸出。由于TI混合信號工藝的高密度容量，ADS1232能夠適合于24引腳超薄緊縮型小外形封裝(TSSOP)，而ADS1234則采用28引腳TSSOP。
為了更好地說明ADS1232/4的性能，圖4顯示了一個10秒間隔的輸出讀數(shù)，其數(shù)據(jù)速率為10(SPS)，PGA增益系數(shù)為128，參考電壓為5V橋接激發(fā)電壓。左軸以最低位(LSB)為單位顯示了ADS1232/4的輸出讀數(shù)，而右軸則以nV為單位顯示了該輸出讀取。均方根(rms)噪聲僅為17nV，峰至峰噪聲僅為110nV。回過頭再去看一下前面提到的那個5V激發(fā)電壓的4mV/V負載單元實例，ADS1232在同該負載單元一起使用時，會提供超過180,000計數(shù)的內(nèi)部精度，并且無需額外的組件或者輸出數(shù)據(jù)的后處理。ADS1232/4的噪聲將會以數(shù)據(jù)速率、PGA和參考電壓函數(shù)的形式而變化，注意到這一點非常重要。您可以登錄網(wǎng)站www.ti.com獲得有關(guān)ADS1232/4的產(chǎn)品說明書，其中提供的噪聲列表顯示了不同設(shè)置情況下的性能。
圖4ADS1232噪聲性能
作為對電子秤設(shè)計人員的一種幫助，TI還開發(fā)出一種使用ADS1232的電子秤參考設(shè)計，即ADS1232REF。圖5顯示了其結(jié)構(gòu)圖。ADS1232作為該設(shè)計的核心，直接將電子秤負載單元信號數(shù)字化。MSP430微控制器可收集ADS1232數(shù)據(jù)，驅(qū)動LCD顯示，對來自交換機的用戶輸入進行譯碼，并通過一個USB連接同一臺可選PC進行通信。圖6突出顯示了該電路板的幾個關(guān)鍵元件。用戶將負載單元連接至指示的連接器。跳線可以在ADS1232輸入的前面繞過可選RC濾波器?？梢詫⒖茧妷涸谝粋€外部激發(fā)電壓或模擬電源之間進行切換。電源由一個外部DC電源提供。在獨立模式下，主控制開關(guān)控制整個運行。然后，MSP430將用戶選擇的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。在PC模式下，USB接口允許使用一臺PC來控制運行，并將數(shù)據(jù)輸出顯示在PC的顯示器上。如欲了解有關(guān)ADS1232REF的更多詳情，敬請訪問TI的網(wǎng)站下載《用戶指南》。
圖5ADS1232REF電子秤參考設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
圖6ADS1232REF電子秤參考設(shè)計
總之，在各種應(yīng)用中電子秤正變得越來越流行。負載單元也許是最為常見的重量傳感器，其輸出的信號極小，要將這種小信號精確地測量出來是一個巨大的挑戰(zhàn)。ADS1232和ADS1234提供了單芯片解決方案，使電子秤設(shè)計人員可以輕松快速地開發(fā)出一種小型低成本高性能的電子秤。ADS1232REF參考設(shè)計允許用戶使用自己的負載單元來對ADS1232進行性能評估，并作為完整電子秤設(shè)計的基礎(chǔ)。
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